試論電力系統(tǒng)的無功功率和電壓控制
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汪穎翔 馮煒 王欣1由 分享
論文關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng) 無功功率 電壓控制
論文摘要：電壓是衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。電力系統(tǒng)中各種用電設(shè)備只有在電壓為額定值時(shí)才有最好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。但是在電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行中，用電負(fù)荷和系統(tǒng)運(yùn)行方式是經(jīng)常變化的，由此引起電壓發(fā)生變化，不可避免地出現(xiàn)電壓偏移。而電力系統(tǒng)的運(yùn)行電壓水平取決于無功功率的平衡，系統(tǒng)中各種無功電源的無功功率輸出應(yīng)能滿足系統(tǒng)負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)損耗在額定電壓下對(duì)無功功率的需求，否則就會(huì)偏離額定值。
1、前言
總體來說，電力系統(tǒng)有效和可靠的運(yùn)行，電壓和無功功率的控制應(yīng)滿足以下目標(biāo)：
1.1系統(tǒng)中有所有裝置的在端電壓應(yīng)在可接受的限制內(nèi)。
1.2為保證最大限度利用輸電系統(tǒng)，應(yīng)加強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。
1.3應(yīng)使無功功率傳輸最小，以使得RI2和XI2損耗減小到最小。
當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，輸電系統(tǒng)的無功功率的要求也要變化。由于無功功率不能長距離傳輸，電壓只能通過遍布整個(gè)系統(tǒng)的具體裝置來進(jìn)行有效控制。
2、無功功率的產(chǎn)生和吸收
同步發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生或吸收無功功率，這取決于其勵(lì)磁情況。當(dāng)過勵(lì)時(shí)產(chǎn)生無功功率，當(dāng)欠勵(lì)時(shí)吸收無功功率。
架空線路產(chǎn)生或吸收無功功率取決于負(fù)荷電流。當(dāng)負(fù)荷低于自然負(fù)荷（波阻抗），線路產(chǎn)生純無功功率；當(dāng)高于自然負(fù)荷時(shí)，線路吸收無功功率。
地下電纜，由于它們對(duì)地電容較大，因此具有較高的自然負(fù)荷。它們通常工作在低于自然負(fù)荷情形下，因此在所有運(yùn)行條件下總發(fā)生無功功率。
變壓器不管其負(fù)載如何，總是吸收無功功率?？蛰d時(shí)，起主要作用的是并聯(lián)激勵(lì)電抗；滿載時(shí)，起主要作用的是串聯(lián)漏抗。
負(fù)荷通常吸收無功功率。由電力系統(tǒng)的供電的典型負(fù)荷節(jié)點(diǎn)由許多裝置所組成。這種組成隨日期、隨季節(jié)和氣候的變化而不同。通常負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷特性是吸收無功功率的，復(fù)合負(fù)荷的有功功率和無功功率都是電壓幅值的函數(shù)。具有低的滯后功率因數(shù)的負(fù)荷使傳輸網(wǎng)絡(luò)有大的電壓降落，因而供電也不經(jīng)濟(jì)，對(duì)于工業(yè)用戶，無功功率通常和有功功率一樣要計(jì)費(fèi)，這就鼓勵(lì)企業(yè)通過使用并聯(lián)電容器來提高負(fù)荷功率因數(shù)。
3、無功功率的補(bǔ)償
3.1無功功率不足的危害：交流電力系統(tǒng)需要電源供給兩部分能量：一部分將用于做功而被消耗掉，這部分稱為“有功功率”；另一部分能量是用來建立磁場(chǎng)，用于交換能量使用的，對(duì)于外部電路它并沒有做功，稱為“無功功率”，無功是相對(duì)于有功而言，不能說無功是無用之功，沒有這部分功率，就不能建立磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)，變壓器等設(shè)備就不能運(yùn)轉(zhuǎn)。其物理意義是：電路中電感元件與電容元件正常工作所需要的功率交換。無功功率不足，無功電源和無功負(fù)荷將處于低電壓的平衡狀態(tài)，將給電力系統(tǒng)帶來諸如出力不足，電力系統(tǒng)損耗增加，設(shè)備損壞等一系列的損害，甚至可能引起電壓崩潰事故，造成電網(wǎng)大面積停電。
3.2無功補(bǔ)償原理：在交流電路中，純電阻元件中負(fù)載電流與電壓同相位，純電感負(fù)載中電流之后電壓九十度，純電容負(fù)載中電流超前電壓九十度，也就是說純電容中電流和純電感中的電流相位差為180度，可以互相抵消，即當(dāng)電源向外供電時(shí)，感性負(fù)荷向外釋放的能量由榮幸負(fù)荷儲(chǔ)存起來；當(dāng)感性負(fù)載需要能量時(shí)，再由榮幸負(fù)荷向外釋放的能量來提供。能量在兩種負(fù)荷間相互交換，感性負(fù)荷所需要的無功功率就可由容性負(fù)荷輸出的無功功率中得到補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了無功功率就地解決，達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?br/> 3.3無功補(bǔ)償?shù)娜N形式：
3.3.1集中補(bǔ)償
集中補(bǔ)償就是把電容器組集中安裝在變電所的二次側(cè)的母線上或配電變壓器低壓母線上，這種補(bǔ)償方式，安裝簡(jiǎn)便，運(yùn)行可靠，利用率高，但當(dāng)電氣設(shè)備不連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)或輕負(fù)荷時(shí)，又無自動(dòng)控制裝置時(shí)，會(huì)造成過補(bǔ)償，使運(yùn)行電壓升高，電壓質(zhì)量變壞。季節(jié)性用電較強(qiáng)，空載運(yùn)行較長又無人值守的配電變壓器不宜采用。
3.3.2分散補(bǔ)償
分散補(bǔ)償是將電容器組分組安裝在車間配電室或變電所個(gè)分路的出線上，形成抵押電網(wǎng)內(nèi)部的多組分散補(bǔ)償方式，它能與工廠部分負(fù)荷的變動(dòng)同時(shí)投切，適合負(fù)荷比較分散的補(bǔ)償場(chǎng)合，這種補(bǔ)償方式效果較好，且補(bǔ)償方式靈活，易于控制。
3.3.3個(gè)別補(bǔ)償
個(gè)別補(bǔ)償是對(duì)單臺(tái)用電設(shè)備所需無功就近補(bǔ)償?shù)姆椒?，把電容器直接接到單臺(tái)用電設(shè)備的同一電氣回路，用同一臺(tái)開關(guān)控制，同時(shí)投運(yùn)或斷開，俗稱隨機(jī)補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方法的效果最好，它能實(shí)現(xiàn)就地平衡無功電流，又能避免無負(fù)荷時(shí)的過補(bǔ)償，是農(nóng)網(wǎng)中隊(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)某Ｓ梅椒ā?br/> 3.4無功補(bǔ)償設(shè)備
根據(jù)補(bǔ)償?shù)男Ч裕娙萜骺梢匝a(bǔ)償負(fù)荷側(cè)的無功功率，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低能耗，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量。電抗器可以吸收電網(wǎng)多余的線路充電功率，改善電網(wǎng)低谷負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行電壓，減少發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行深度，提高電網(wǎng)運(yùn)行性能。
3.4.1無源補(bǔ)償設(shè)備裝置
并聯(lián)電抗器，并聯(lián)電容器和串聯(lián)電容器。這些裝置可以是固定連接式的或開閉式的，無源補(bǔ)償設(shè)備僅用于特性阻抗補(bǔ)償和線路的阻抗補(bǔ)償，如并聯(lián)電抗器用于輸電線路分布電容的補(bǔ)償以防空載長線路末端電壓升高，并聯(lián)電容器用來產(chǎn)生無功以減小線路無功輸送，減小電壓損失；串聯(lián)電容器可用于長線路補(bǔ)償?shù)?。電力系統(tǒng)變電站內(nèi)廣泛安裝了無功補(bǔ)償電容器，用來就地?zé)o功平衡，減少線損，提高電壓水平。
3.4.2有源補(bǔ)償裝置
通常為并聯(lián)連接式的，用于維持末端電壓恒定，能對(duì)連接處的微小電壓偏移做出反應(yīng)，準(zhǔn)確地發(fā)出或吸收無功功率的修正量。如用飽和電抗器作為內(nèi)在固有控制，用同步補(bǔ)償器和可控硅控制的補(bǔ)償器作為外部控制的方式。
4、結(jié)束語
無功補(bǔ)償對(duì)提高功率因數(shù)，改善電壓質(zhì)量，降損節(jié)能、提高供電設(shè)備的出力都有很好的作用。只要依靠科技進(jìn)步，加大資金投入，優(yōu)化無功補(bǔ)償配置，實(shí)現(xiàn)無功的動(dòng)態(tài)平衡是完全可能的。
參考文獻(xiàn)：
[1] PRABHA KUNDUR 著.電力系統(tǒng)的穩(wěn)定與控制[M]．中國電力出版社．
[2]劉婭.變電站無功補(bǔ)償分析 [M]．行業(yè)透視．
[3]韓磊.電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償綜述[M]．中國新技術(shù)新產(chǎn)品．
論文摘要：電壓是衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。電力系統(tǒng)中各種用電設(shè)備只有在電壓為額定值時(shí)才有最好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。但是在電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行中，用電負(fù)荷和系統(tǒng)運(yùn)行方式是經(jīng)常變化的，由此引起電壓發(fā)生變化，不可避免地出現(xiàn)電壓偏移。而電力系統(tǒng)的運(yùn)行電壓水平取決于無功功率的平衡，系統(tǒng)中各種無功電源的無功功率輸出應(yīng)能滿足系統(tǒng)負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)損耗在額定電壓下對(duì)無功功率的需求，否則就會(huì)偏離額定值。
1、前言
總體來說，電力系統(tǒng)有效和可靠的運(yùn)行，電壓和無功功率的控制應(yīng)滿足以下目標(biāo)：
1.1系統(tǒng)中有所有裝置的在端電壓應(yīng)在可接受的限制內(nèi)。
1.2為保證最大限度利用輸電系統(tǒng)，應(yīng)加強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。
1.3應(yīng)使無功功率傳輸最小，以使得RI2和XI2損耗減小到最小。
當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，輸電系統(tǒng)的無功功率的要求也要變化。由于無功功率不能長距離傳輸，電壓只能通過遍布整個(gè)系統(tǒng)的具體裝置來進(jìn)行有效控制。
2、無功功率的產(chǎn)生和吸收
同步發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生或吸收無功功率，這取決于其勵(lì)磁情況。當(dāng)過勵(lì)時(shí)產(chǎn)生無功功率，當(dāng)欠勵(lì)時(shí)吸收無功功率。
架空線路產(chǎn)生或吸收無功功率取決于負(fù)荷電流。當(dāng)負(fù)荷低于自然負(fù)荷（波阻抗），線路產(chǎn)生純無功功率；當(dāng)高于自然負(fù)荷時(shí)，線路吸收無功功率。
地下電纜，由于它們對(duì)地電容較大，因此具有較高的自然負(fù)荷。它們通常工作在低于自然負(fù)荷情形下，因此在所有運(yùn)行條件下總發(fā)生無功功率。
變壓器不管其負(fù)載如何，總是吸收無功功率?？蛰d時(shí)，起主要作用的是并聯(lián)激勵(lì)電抗；滿載時(shí)，起主要作用的是串聯(lián)漏抗。
負(fù)荷通常吸收無功功率。由電力系統(tǒng)的供電的典型負(fù)荷節(jié)點(diǎn)由許多裝置所組成。這種組成隨日期、隨季節(jié)和氣候的變化而不同。通常負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷特性是吸收無功功率的，復(fù)合負(fù)荷的有功功率和無功功率都是電壓幅值的函數(shù)。具有低的滯后功率因數(shù)的負(fù)荷使傳輸網(wǎng)絡(luò)有大的電壓降落，因而供電也不經(jīng)濟(jì)，對(duì)于工業(yè)用戶，無功功率通常和有功功率一樣要計(jì)費(fèi)，這就鼓勵(lì)企業(yè)通過使用并聯(lián)電容器來提高負(fù)荷功率因數(shù)。
3、無功功率的補(bǔ)償
3.1無功功率不足的危害：交流電力系統(tǒng)需要電源供給兩部分能量：一部分將用于做功而被消耗掉，這部分稱為“有功功率”；另一部分能量是用來建立磁場(chǎng)，用于交換能量使用的，對(duì)于外部電路它并沒有做功，稱為“無功功率”，無功是相對(duì)于有功而言，不能說無功是無用之功，沒有這部分功率，就不能建立磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)，變壓器等設(shè)備就不能運(yùn)轉(zhuǎn)。其物理意義是：電路中電感元件與電容元件正常工作所需要的功率交換。無功功率不足，無功電源和無功負(fù)荷將處于低電壓的平衡狀態(tài)，將給電力系統(tǒng)帶來諸如出力不足，電力系統(tǒng)損耗增加，設(shè)備損壞等一系列的損害，甚至可能引起電壓崩潰事故，造成電網(wǎng)大面積停電。
3.2無功補(bǔ)償原理：在交流電路中，純電阻元件中負(fù)載電流與電壓同相位，純電感負(fù)載中電流之后電壓九十度，純電容負(fù)載中電流超前電壓九十度，也就是說純電容中電流和純電感中的電流相位差為180度，可以互相抵消，即當(dāng)電源向外供電時(shí)，感性負(fù)荷向外釋放的能量由榮幸負(fù)荷儲(chǔ)存起來；當(dāng)感性負(fù)載需要能量時(shí)，再由榮幸負(fù)荷向外釋放的能量來提供。能量在兩種負(fù)荷間相互交換，感性負(fù)荷所需要的無功功率就可由容性負(fù)荷輸出的無功功率中得到補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了無功功率就地解決，達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?br/> 3.3無功補(bǔ)償?shù)娜N形式：
3.3.1集中補(bǔ)償
集中補(bǔ)償就是把電容器組集中安裝在變電所的二次側(cè)的母線上或配電變壓器低壓母線上，這種補(bǔ)償方式，安裝簡(jiǎn)便，運(yùn)行可靠，利用率高，但當(dāng)電氣設(shè)備不連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)或輕負(fù)荷時(shí)，又無自動(dòng)控制裝置時(shí)，會(huì)造成過補(bǔ)償，使運(yùn)行電壓升高，電壓質(zhì)量變壞。季節(jié)性用電較強(qiáng)，空載運(yùn)行較長又無人值守的配電變壓器不宜采用。
3.3.2分散補(bǔ)償
分散補(bǔ)償是將電容器組分組安裝在車間配電室或變電所個(gè)分路的出線上，形成抵押電網(wǎng)內(nèi)部的多組分散補(bǔ)償方式，它能與工廠部分負(fù)荷的變動(dòng)同時(shí)投切，適合負(fù)荷比較分散的補(bǔ)償場(chǎng)合，這種補(bǔ)償方式效果較好，且補(bǔ)償方式靈活，易于控制。
3.3.3個(gè)別補(bǔ)償
個(gè)別補(bǔ)償是對(duì)單臺(tái)用電設(shè)備所需無功就近補(bǔ)償?shù)姆椒?，把電容器直接接到單臺(tái)用電設(shè)備的同一電氣回路，用同一臺(tái)開關(guān)控制，同時(shí)投運(yùn)或斷開，俗稱隨機(jī)補(bǔ)償。這種補(bǔ)償方法的效果最好，它能實(shí)現(xiàn)就地平衡無功電流，又能避免無負(fù)荷時(shí)的過補(bǔ)償，是農(nóng)網(wǎng)中隊(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)某Ｓ梅椒ā?br/> 3.4無功補(bǔ)償設(shè)備
根據(jù)補(bǔ)償?shù)男Ч裕娙萜骺梢匝a(bǔ)償負(fù)荷側(cè)的無功功率，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低能耗，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量。電抗器可以吸收電網(wǎng)多余的線路充電功率，改善電網(wǎng)低谷負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行電壓，減少發(fā)電機(jī)的進(jìn)相運(yùn)行深度，提高電網(wǎng)運(yùn)行性能。
3.4.1無源補(bǔ)償設(shè)備裝置
并聯(lián)電抗器，并聯(lián)電容器和串聯(lián)電容器。這些裝置可以是固定連接式的或開閉式的，無源補(bǔ)償設(shè)備僅用于特性阻抗補(bǔ)償和線路的阻抗補(bǔ)償，如并聯(lián)電抗器用于輸電線路分布電容的補(bǔ)償以防空載長線路末端電壓升高，并聯(lián)電容器用來產(chǎn)生無功以減小線路無功輸送，減小電壓損失；串聯(lián)電容器可用于長線路補(bǔ)償?shù)?。電力系統(tǒng)變電站內(nèi)廣泛安裝了無功補(bǔ)償電容器，用來就地?zé)o功平衡，減少線損，提高電壓水平。
3.4.2有源補(bǔ)償裝置
通常為并聯(lián)連接式的，用于維持末端電壓恒定，能對(duì)連接處的微小電壓偏移做出反應(yīng)，準(zhǔn)確地發(fā)出或吸收無功功率的修正量。如用飽和電抗器作為內(nèi)在固有控制，用同步補(bǔ)償器和可控硅控制的補(bǔ)償器作為外部控制的方式。
4、結(jié)束語
無功補(bǔ)償對(duì)提高功率因數(shù)，改善電壓質(zhì)量，降損節(jié)能、提高供電設(shè)備的出力都有很好的作用。只要依靠科技進(jìn)步，加大資金投入，優(yōu)化無功補(bǔ)償配置，實(shí)現(xiàn)無功的動(dòng)態(tài)平衡是完全可能的。
參考文獻(xiàn)：
[1] PRABHA KUNDUR 著.電力系統(tǒng)的穩(wěn)定與控制[M]．中國電力出版社．
[2]劉婭.變電站無功補(bǔ)償分析 [M]．行業(yè)透視．
[3]韓磊.電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償綜述[M]．中國新技術(shù)新產(chǎn)品．